发酵工程——维生素C的生产工艺.ppt

维生素C,的工艺原理,胡蕾 11010010108,一、维生素C ( Vitamin C VC),维生素C又名抗坏血酸(Ascorbic acid)，呈白色粉末，无臭，味酸，熔点190192，易溶于水和甲醇，略溶于乙醇，不溶于乙醚、氯仿及石油醚等。具有较强的还原性，易受光、热、氧等破坏，在碱液中或有微量金属离子存在时，分解更快，但干燥结晶后较稳定。VC是一种人体必需的水溶性维生素，也是一种抗氧化剂，广泛应用于医药、食品、饲料等领域。,获得维生素的方法,提取法：从富含维生素的天然食物和药用 植物中浓缩、 提取。目前只有极少数维生素采用提取法，例如维生素A、E。,生物合成法：微生物发酵法和微藻类的生物转化法，目前发展很快。,化学合成法：目前生产维生素的主要方法。,二、目前合成方法,1、莱氏法,1933年瑞士化学家莱齐特因等用化学合成方法合成维生素C，也称莱氏法。该法主要以D-山梨醇作为原料，是最早生产维生素C的方法，也是国外采用的方法。工艺路线主要如下：,D-山梨醇,L-山梨糖,黑菌醋的发酵氧化,二丙酮-L-山梨糖,丙酮,发酵硫酸,双丙酮-2-酮基 -L-古龙酸钠,次氯酸纳,氧化,双丙酮-2-酮基- L-古龙酸,酸化,维生素C,HCl,化学转化,优点：该法生产的维生素C产品质量好、收率高，达60，而且生产原料易获得，中间产物化学性质稳定，一直是国外生产维生素C的重要方法,缺点：生产工序繁多、劳动强度大、大量有机溶剂的使用易造成环境污染等,莱氏法的优缺点,2、微生物发酵合成法,D-山梨醇途径 L-山梨糖途径 L-艾杜糖酸途径 2-酮-D-葡糖糖酸途径 2,5-二酮-D-葡糖糖酸途径 2-酮-L-古龙酸途径,三、二步发酵法生产工艺,六条不同的途径最终都是以2-酮-L-古龙酸为最终产物，在经过化学转化合成维生素C。其中只有第二条实现了工业化生产，此即为我国自行开发的二步发酵法。二步发酵工艺是中国科学院微生物研究所和北京制药厂于1975年合作发明的，此法进一步发展了维生素C的生产，是目前唯一成功应用于维生素C工业生产的微生物转化法。,制备工艺简单，生产周期短和三废污染少等。,有什么优点呢,1985年转让给世界上生产维生素最大的企业瑞士霍夫曼罗氏制药公司。,（一）二步发酵法生产维生素C的工艺流程,主要分为发酵、提取、转化、精制四个过程。总的工艺路线：,第一步：,D-葡萄糖,D-山梨醇,H2 催化,L-山梨糖,黑醋酸菌,第二步：,L-山梨糖,2-酮基-L-古龙酸 （2KGA),小菌氧化葡萄糖酸杆菌和大菌巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等伴生菌混合发酵,维生素C,内脂化 烯醇化,（二）、具体步骤,1、发酵：在氢气、黑醋酸菌的作用下通过一步和二步发酵得到古龙酸钠 发酵液。,发酵液,2、提取:,上清液,离子交换,加热凝聚,离心过滤,滤液,二次离子交换,浓缩,结晶,干燥,古龙酸去转化,3、转化：,甲酯化、类酯化,离心分离,维c钠,酸化脱色,离心分离,浓缩,结晶,离心分离,粗维c,粗维c,溶解脱色,活性炭、热的去离子水,过滤,结晶,离心过滤,母液回收,真空干燥,过筛、包装,维c成品,4.精制,四、菌种的制备及种子的扩大培养,（1）、第一步发酵 1、菌种：一步发酵中所用菌种为生黑葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter melagenus)，简称黑醋菌。最常用的生产菌株为R30，其主要特征是：细胞椭圆至短杆状，革兰氏染色阳性，无芽孢大小为(0.5一0.8)um x(1.0-2.2)um。端生草根鞭毛运动，菌落边缘整介，微显浅褐色。生长最适温度为34l，氧化D-山梨醇的发酵收率可达98以上。 2、一级种子扩大培养：种子培养基成分为：山梨醇20，酵母膏0.7，碳酸钙0.15%，无机盐溶液0.4。其中，无机盐溶液的组成为：MgSO47H2O1.25g100 mL， (NH4)H2PO475g100mL，KH2PO45g100mI,K2SO41.25g100ml.PH6.7,121,30min灭菌。 3、第一步发酵培养：发酵液培养基成分为：酵母膏0.035，碳酸钙0.1，玉米浆0.1，复合维生素B 0.001，山梨醇浓度视需要而定，该氧化反应的耗氧量较大，所以通气比要求1:1VVM以上。即使在通气量较大，且搅拌转速较高的条件下，发酵至4h后溶解氧浓度急剧下降，甚至接近于零。直到10h左右才逐渐回升。当溶解氧浓度回复至最高点，成水平直线时，表示该反应已达终点。D-山梨醇转化为L-山梨糖的生物转化率达98%以上。发酵液经低温60灭菌20min,冷却至30，作为第二步发酵的原料。,（2）、第二步发酵法,1、菌种：第二步发酵采用的菌种为由大、小两株细菌组成的混合菌种。小菌为氧化葡萄糖酸杆菌（Gluconobacter Oxydans）,大菌可采用巨大芽孢杆菌（Bacillus megateriam）,称2980菌；或蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus）,称152菌，或浸麻芽孢杆菌（Bacillus macerans）,称169菌。也可采用其他一些杆菌与小菌混合培养。但工业上使用最多的是2980及152菌混合菌。 2、二级种子的扩大培养：种子培养基成分为：酵母膏0.3%,牛肉膏0.3%，玉米浆0.3%，蛋白胨1.0%，尿素0.1%，山梨糖2.0%，另加某些无机盐。PH6.7,121,30min灭菌。 3、第二步发酵培养：发酵液培养成分为：玉米浆0.5%，尿素0.1%，无机盐及山梨糖。第二步发酵为混合菌种发酵。由于大、小菌两者的最适培养条件是不同的，所以操作适宜条件是兼顾大、小菌两者的条件。通常操作温度为30；初始pH控制在6.8左右。该反应虽属氧化反应，但对氧的消耗并不很大。气升式发酵罐非常适合该发酵过程。溶氧浓度在20%即可。山梨糖的初始浓度对产物的生成影响较大。间歇发酵时初始山梨糖浓度超过80g/L，会对产物产生抑制。所以要取得最高浓度2KGA，需采用高浓度山梨糖流加发酵的方式。若采用建立在数学模型基础上的流加控制策略，可获得高浓度的2KGA，二步收率可达83%。,五、发酵工艺中的部分设备,1、机械搅拌罐： 第一步发酵采用机械搅拌发酵罐。机械搅拌通风发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和醪液充分混合促使氧在醪液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、代谢所需要的氧气。,2、气升式发酵罐： 第二步发酵采用气升式发酵罐。在反应器内没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将发酵液分为上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），在上升区的下部安装了空气喷嘴，或环型空气分布管，空气分布管的下方有许多喷孔。反应溶液分布均匀，基质和溶氧均匀分散，使基质在发酵罐内各处的浓度均匀，溶解氧恒定。,六无菌空气的制备,微生物在生产过程中需要氧气，因此需要通入空气。然而空气是氧气、二氧化碳、氮气等的混合物，其中还有水汽及悬浮的尘埃，包括各种微粒、灰尘及微生物。这就需要对空气严格灭菌，达到无菌状态，才能使用。,1、空气的预处理和设备： （1）采风塔 在工厂的上风头，高度一般在10m左右，设计流速8m/s。可建在高压机房的屋顶上。 （2）粗过滤器 安装在空压机吸入口前，前置过滤器。作用是截留空气中较大的灰尘，保护压缩机，减轻总过滤器的负担，也能起到一定的除菌作用。介质为泡沫塑料（平板式）或无纺布（折叠式），流速0.1-0.5m/s。要求是阻力小，灰容量大。 （3）空气压缩机 作用是提供空气流动的动力。常用往复式、螺杆式、涡轮式空压机。 （4）空气储罐 消除压缩空气的脉动，用于往复式空压机。螺杆式和涡轮式空压机提供均匀连续空气可省去。设置在空压站附近。 （5）冷却器 空气压缩机出口气温一般在120，必须冷却。在潮湿季节，除湿。空气冷却器的传热系数为105W/(m2)。采用双程或四程结构，两级串联使用。第一级循环水冷却，第二级低温水（9）冷却。设置在发酵车间外。压缩空气每经过1m管道，温度下降0.5-1.0。,2、空气的净化,A、两级冷却、加热除菌流程 尤其适合用于潮湿地区,B、冷热空气直接混合式空气除菌流程 适用于中等湿含量地区，不适合于空气湿含量高的地区,C、高效前置过滤空气除菌流程 可获得无菌程度很高的空气,维c的益处：,1、治疗坏血病。 2、预防牙龈萎缩、出血。 3、预防动脉硬化：可促进胆固醇的排泄，防止胆固醇在动脉内壁沉积，甚至可以使沉积的粥样斑块溶解。 4、抗氧化剂：可以保护其它抗氧化剂，如维生素A、维生素E、不饱和脂肪酸，防止自由基对人体的伤害。 5、治疗贫血：使难以吸收利用的三价铁还原成二价铁，促进肠道对铁的吸收，提高肝脏对铁的利用率，有助于治疗缺铁性贫血。 6、提高人体的免疫力 ：白细胞含有丰富的VC，当机体感染时白细胞内的VC急剧减少。VC可增强中性粒细胞的趋化性和变形能力，提高杀菌能力。